本文來自微信公眾號“半導體行業(yè)觀察”，作者/李飛。
上周，谷歌在論文預印本平臺arxiv上發(fā)表了其關(guān)于TPU v4的深入解讀論文《TPU v4:An Optically Reconfigurable Supercomputer for Machine Learning with Hardware Support for Embeddings》（TPU v4：通過光互聯(lián)可重配置的機器學習超級計算機，搭載硬件嵌入層加速）。該論文將于今年六月在ISCA 2023（International Symposium on Computer Architecture，計算機架構(gòu)領(lǐng)域的頂級會議）上正式發(fā)表，而目前的預印本無疑為我們提供了可以一窺其全貌的機會。
為了TPU的可擴展性設(shè)計專用光學芯片，谷歌也是拼了
從論文的標題可以看到，谷歌TPU v4的一個主要亮點是通過光互連實現(xiàn)可重配置和高可擴展性（也即標題中的“optically reconfigurable”）。而在論文的一開始，谷歌開門見山首先介紹的也并非傳統(tǒng)的MAC設(shè)計、片上內(nèi)存、HBM通道等AI芯片常見的參數(shù)，而是可配置的光學互聯(lián)開關(guān)（reconfigurable optical switch）。作為論文的重中之重，這里我們也詳細分析一下為什么光學互聯(lián)在TPU v4設(shè)計中占了這么重要的位置，以至于谷歌甚至為了它自研了一款光學芯片。
TPU v4從一開始設(shè)計時，其目標就是極高的可擴展性，可以有數(shù)千個芯片同時加速，從而實現(xiàn)一個為了機器學習模型訓練而設(shè)計的超級計算機。在谷歌的設(shè)計中，超級計算機的拓撲結(jié)構(gòu)為：將4x4x4（64）個TPU v4芯片互聯(lián)在一起形成一個立方體結(jié)構(gòu)（cube），然后再把4x4x4這樣的cube用連在一起形成一個總共有4096個TPU v4的超級計算機。
TPU超級計算機（由4096個TPU v4組成）拓撲結(jié)構(gòu)
在這樣的拓撲中，物理距離較近的TPU v4（即在同一個4x4x4 cube中的芯片）可以用常規(guī)的電互聯(lián)（例如銅絞線）方法連接，但是距離較遠的TPU之間（例如在cube之間的互聯(lián)）就必須使用光互連，原因就在于在如此大規(guī)模的超級計算機中，芯片之間的數(shù)據(jù)互聯(lián)在很大程度上會決定整體計算的效率；如果數(shù)據(jù)互聯(lián)效率不夠高的話，很多時候芯片都在等待來自其他芯片數(shù)據(jù)到達以開始計算，這樣就形成了效率浪費。為了避免這樣“芯片等數(shù)據(jù)”的情形出現(xiàn)，就必須確保芯片之間互聯(lián)能擁有高帶寬，低延遲。而光互連對于物理距離較遠的芯片就成為了首選。
光互連在高性能計算中的使用也并非新聞，而谷歌在TPU v4中的主要突破是使用可重配置的光互連（即加入光路開關(guān)，optical circuit switch OCS）來快速實現(xiàn)不同的芯片互聯(lián)拓撲。換句話說，芯片之間的互聯(lián)并非一成不變的，而是可以現(xiàn)場可重配置的。這樣做可以帶來許多好處，其中最主要的就是可以根據(jù)具體機器學習模型來改變拓撲，以及改善超級計算機的可靠性。
從拓撲結(jié)構(gòu)來說，不同的機器學習模型對于數(shù)據(jù)流的要求大致可以分為三類，即數(shù)據(jù)平行（每塊芯片都加載整個模型，不同的芯片處理數(shù)據(jù)集中不同的數(shù)據(jù)），模型并行（模型中有些層特別大，因此每塊芯片只負責這樣很大的層中的一部分計算），以及流水線并行（把模型中的不同層交給不同的芯片計算），而不同的數(shù)據(jù)流就對應(yīng)了不同的TPU互聯(lián)拓撲。當有了可重配置光互連之后，就可以根據(jù)具體模型數(shù)據(jù)流來調(diào)整TPU之間的互聯(lián)拓撲，從而實現(xiàn)最優(yōu)的性能，其提升可超過2倍。
使用可重配置光互連可以快速切換不同的芯片間互聯(lián)拓撲
另一個優(yōu)勢就是可靠性。在這樣擁有海量芯片組成的超級計算機中，一個重要的考量就是，如果有一小部分的芯片不工作了，如何確保整體超級計算機仍然能維持較高的性能？如果使用常規(guī)的固定互聯(lián)架構(gòu)，那么一個芯片出故障可能會影響整個系統(tǒng)工作。而在有了可重配置的光互連之后，需要做的只需要把出故障的芯片繞過，就不會影響整個系統(tǒng)的工作，最多會犧牲一點整體的性能。谷歌在論文中給出了一個單芯片故障率和系統(tǒng)平均性能影響的曲線圖，在使用可配置光互連（以及光路開關(guān)）時，假設(shè)芯片可靠率在99%的情況下，其整體系統(tǒng)的平均性能提升比不使OCS可高達6倍，可見光互連開關(guān)的重要性。
系統(tǒng)性能與芯片可靠性曲線圖——使用OCS可以大大提升系統(tǒng)性能
為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心級的可配置光互連，需要光路開關(guān)首先能高效擴展到超高數(shù)量的互聯(lián)數(shù)（例如1000x1000），同時需要實現(xiàn)低開關(guān)切換延遲，低成本，以及低信號損耗。谷歌認為現(xiàn)有的商用方案都不夠滿意，因此谷歌的做法是自研了一款光路開關(guān)芯片Palomar，并且使用該芯片實現(xiàn)了全球首個數(shù)據(jù)中心級的可配置光互連，而TPU v4就是搭配了這款自研光路開關(guān)芯片從架構(gòu)上實現(xiàn)了高性能。谷歌自研的光路開關(guān)芯片Palomar使用的是基于MEMS反射鏡陣列的技術(shù)，具體原理是使用一個2D MEMS反射鏡陣列，通過控制反射鏡的位置來調(diào)整光路，從而實現(xiàn)光路的切換。使用MEMS的光路開關(guān)芯片可以實現(xiàn)低損耗，低切換延遲（毫秒級別）以及低功耗。在經(jīng)過一系列優(yōu)化之后，光路系統(tǒng)的成本也控制得很低，在整個TPU v4超級計算機成本中占5%以下。
谷歌自研的Palomar MEMS光路開關(guān)芯片
算法-芯片協(xié)同設(shè)計是TPU v4的靈魂
如果說可重配置光互聯(lián)給TPU v4提供了良好的根基的話，那么算法-芯片協(xié)同設(shè)計就是TPU v4的靈魂。算法-芯片協(xié)同設(shè)計包括兩部分，一部分是如何根據(jù)算法優(yōu)化芯片，而另一方面是如何根據(jù)芯片去優(yōu)化算法，在TPU v4的架構(gòu)中，兩者都得到了仔細考慮。
我們首先分析TPU v4如何根據(jù)算法來優(yōu)化芯片。如果說2017年TPU v1發(fā)表時候，其主要解決的還是卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)CNN的話，那么在2023年來看，CNN的加速問題早已經(jīng)被既覺得差不多了，更多的是如何處理目前如日中天的大模型的問題。對于谷歌來說，目前最關(guān)鍵的大模型就是決定了其公司主營收入的推薦系統(tǒng)大模型，因此TPU v4的設(shè)計也針對推薦系統(tǒng)大模型做了相當?shù)膬?yōu)化。在推薦系統(tǒng)大模型中，目前的加速瓶頸是嵌入層（embedding layer）。嵌入層的目的是將高維度稀疏特征映射到低維度高密度特征，從而該高密度低維度特征可以被神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進一步處理。嵌入層的實現(xiàn)通常是一個查找表（look-up table），而這個查找表可以非常巨大至100GB的數(shù)量級。在一個推薦系統(tǒng)模型中可以有多個這樣的查找表，從而讓整個查找表的存儲量達到TB級別。如此巨大的查找表會需要使用分布式計算，將每一個嵌入層的查找表都分布到多塊TPU v4芯片中進行計算。谷歌在論文中提到，在進行這樣的嵌入層計算時，計算是以1D向量計算為主，而非2D矩陣或者3D張量計算；其次，計算往往是稀疏的（因為輸入特征是稀疏的，因此并不是所有特征都會有高密度計算）而且分布在不同的芯片上，因此需要能對于共享存儲進行優(yōu)化，這樣不同的芯片可以進行高效地數(shù)據(jù)交換。
為了實現(xiàn)對于嵌入層優(yōu)化，谷歌在TPU v4中專門設(shè)計了一種專用加速模塊，稱為稀疏核（SparseCore，SC）。每個SC都有自己的向量計算單元（scVPU），2.5 MB本地SRAM，以及可以訪問高達128TB共享HBM的內(nèi)存訪問接口。除此之外，SC還有一些專門為嵌入層操作設(shè)計的專用加速邏輯，包括排序（Sort）、規(guī)約（Reduce）、拼接（Concat）等。我們可以看到，其實每個SC的結(jié)構(gòu)都較為簡單，因此在每個TPU v4中都部署了大量SC，但同時SC總體的面積開銷和功耗開銷都緊緊占TPU v4的5%左右。谷歌在論文中比較了使用CPU運行嵌入層（這也是常規(guī)運行嵌入層的做法）以及使用TPU v4 SC運行嵌入層，結(jié)果表明在運行相同的推薦系統(tǒng)時，相對于把嵌入層在CPU上運行，把嵌入層放在TPU v4的SC上可以把整體推薦系統(tǒng)的運行速度提升6倍以上。事實上，這也是領(lǐng)域?qū)Ｓ迷O(shè)計（domain-specific design）最吸引人的地方，即使用很小的芯片面積和功耗開銷，可以得到非常大的性能提升。而谷歌在TPU v4的設(shè)計中把這樣的領(lǐng)域?qū)Ｓ没O(shè)計放到了對于整個公司都最關(guān)鍵的地方（決定谷歌整體收入的推薦系統(tǒng)模型的核心瓶頸嵌入層），從而撬動了非常大的收益。
TPU v4的稀疏核（SC）設(shè)計
除了在芯片層面進行針對算法的優(yōu)化之外，TPU v4還在分布式計算拓撲層面實現(xiàn)了對于算法的優(yōu)化。在前文中我們提到，TPU v4引入可重配置光互連可以針對不同的人工智能模型實現(xiàn)不同的TPU v4之間的互聯(lián)拓撲，為此谷歌設(shè)計了一套機器學習算法來決定如何根據(jù)人工智能模型來配置光路開關(guān)來提升性能。分析表明，對于目前最熱門的大語言模型（包括GPT-3）的訓練，使用機器學習算法查找到的最優(yōu)TPU光互聯(lián)拓撲配置可以提升1.2-2.3倍的性能。
最后，谷歌還為了TPU v4專門設(shè)計了一套神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)搜索（NAS）算法，可以根據(jù)TPU v4的特性來優(yōu)化人工智能模型，從而確保經(jīng)過優(yōu)化的模型可以最高效地運行在TPU v4上，并且充分利用TPU v4的資源。與人工優(yōu)化相比，使用該NAS可以實現(xiàn)推薦系統(tǒng)高達10%的運行時間優(yōu)化，這大約相當于每年節(jié)省數(shù)千萬美元的成本。
TPU v4與人工智能芯片的未來
從TPU v4的設(shè)計中，我們可以看到人工智能芯片未來的一些方向，而這些方向是我們在Nvidia的GPU等其他主流人工智能芯片的設(shè)計中也看到的：
首先就是對于高效互聯(lián)和規(guī)?；闹С帧ｋS著人工智能模型越來越大，對于這類模型的支持主要依賴人工智能芯片的可擴展性（即如何讓多芯片可以高效并可靠地一起分工合作來加速這樣的大模型），而不是一味提高單芯片的能力來支持大模型，因為模型的演進總是要比芯片的設(shè)計迭代更快。在這個領(lǐng)域，不同的芯片公司會有不同的側(cè)重，例如AMD側(cè)重較為微觀層面的使用chiplet來實現(xiàn)封裝級別的可擴展性，Nvidia有NvLink等芯片技術(shù)來實現(xiàn)單機多卡之間的可擴展性和性能提升，谷歌則直接為了海量TPU互聯(lián)設(shè)計了一款光路開關(guān)芯片；但是這些公司之間的共性，即對于人工智能芯片可擴展性的支持以滿足大模型的需求，卻是相當一致的。從這個角度來看，未來可擴展性（例如數(shù)據(jù)互聯(lián)帶寬）有可能會成為與峰值算力一樣的人工智能芯片主要指標，而這也讓人工智能芯片設(shè)計更加跨界：即不僅僅是需要對于數(shù)字邏輯和計算機架構(gòu)方面的資源，同時也需要在封裝、數(shù)據(jù)互聯(lián)等領(lǐng)域都有積累。
此外，人工智能芯片與算法之間的結(jié)合繼續(xù)保持緊密關(guān)系，算法-芯片協(xié)同設(shè)計仍然將是未來人工智能芯片繼續(xù)提升性能的主要手段之一。我們目前已經(jīng)看到了谷歌、Nvidia等在算法-芯片協(xié)同設(shè)計中的大量成果：包括對于新的數(shù)制（Nvidia的FP16、FP8，谷歌的BF16等）的支持，對于計算特性的支持（Nvidia對于稀疏計算的支持），以及對于模型關(guān)鍵算法的直接專用加速器的部署（Nvidia的transformer acclerator，谷歌的SC等）。隨著摩爾定律未來越來越接近物理極限，預計未來人工智能芯片性能進一步提升會越來越倚賴算法-芯片協(xié)同設(shè)計，而另一方面，由于有算法-芯片協(xié)同設(shè)計，我們預計未來人工智能芯片的性能仍然將保持類似摩爾定律的接近指數(shù)級提升，因此人工智能芯片仍然將會是半導體行業(yè)未來幾年最為熱門的方向之一，也將會成為半導體行業(yè)未來繼續(xù)發(fā)展的重要引擎。
